1.2.2 동위원소, 동중원소, 핵이성체 [원자력기사]

1.2.2    동위원소, 동중원소, 핵이성체

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1.2.2.1 동위원소

 

동위원소의 정의는 핵을 이루는 중성자의 수는 다르지만 양성자의 수는 같아서 원자 번호가 같고 화학적 성질도 같은 원소이다. 예를 들면, , , 를 들 수 있다.

 

동위원소(isotope) 용어는 1913년 스코틀랜드 의사이자 작가인 토드(M. Todd)가 영국의 물리화학자인 소디(F. Soddy)에게 제안했던 이름으로써 그리스어로 ‘같음(equal)’을 의미하는 ‘isos’와 ‘장소(place)’를 의미하는 ‘topos’가 합쳐져 "같은 장소"를 의미하는 말로, 단일 원소의 서로 다른 동위원소가 주기율표에서 같은 위치를 차지한다는 것을 의미한다. 

동위원소는 물질이나 제품의 지리적 기원, 위조 및 불순물 함유 여부 등을 판단하는 데 사용되며, 화학반응의 메커니즘을 연구하는 데 사용된다. 특히 방사성 동위원소는 원자력 발전이나 핵무기 개발뿐만 아니라 병에 대한 진단 및 치료 등에도 이용되고 있다.

 

1.2.2.2 동중원소

 

동중원소의 정의는 원자번호(양성자의 수)는 다르지만 질량수(양성자와 중성자수의 합)은 같은 원자핵이다. 

예를 들면, , 을 들 수 있다.

 

1.2.2.3 동중성자 원소

 

동중성자원소의 정의는 양성자의 수(원자번호)는 다르나 중성자의 수가 서로 같은 핵종이다. 예를 들면, , 와 같다. , 는 각각 10개의 중성자를 가지고 있으나, 양성자의 수는 다르다.

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예제 1 (2008년 원자력기사 기출)

그림과 같은 핵종차트의 직선 1과 4에 있는 핵종들을 각각 무엇이라 부르는가? 단, Z는 원자번호이고, N은 중성자수 이다.

① 동위원소, 동중 핵종

② 동중성자 핵종, 동중 핵종

③ 동중성자 핵종, 동위원소

④ 동중핵종, 동양자 핵종

 

정답) ②

직선 1은 세로축인 중성자수(N)은 일정하고 원자번호인 양성자수(Z)만 변한다. 따라서 동중성자 핵종이다. 4번 직선은 중성자수(N)와 양성자수(Z)가 모두 약 1:1 비율로 변하고 있다. 따라서 중성자수가 줄어든 만큼 양성자 수가 증가하면서 중성자수와 양성자 수의 합은 일정하다. 따라서 동중핵종이다.

예제 2 (2010년 원자력기사 기출)

질량수가 같으나 양자수와 중성자수가 다른 것은?

① 동위원소(Isotope)

② 동중성자원소(Isotone)

③ 동중원소(Isobar)

④ 핵이성체(Isomer)

 

정답) ③

동중원소는 2.2.2절에 설명된 바와 같이 질량수가 같고 중성자수와 원자번호(양성자수)가 다른 원소이다.

예제 3 (2018년 원자력기사 기출)

동위원소(Isotope), 동중원소(Isobar)에 대한 다음 설명 중 맞는 것은?

① 동중원소는 원자번호가 서로 같은 원소이다.

② , , 는 서로 동위원소이다.

③ 동위원소는 질량수가 서로 같은 원소이다.

④ 동중핵변환(Isobaric Transition)으로 알파붕괴(Alpha Decay)가 있다.

 

정답) ②

① 동중원소는 질량수가 같고 중성자수와 원자번호가 다른 원소 이다.

③ 동위원소는 원자번호가 같고 중성자 수가 다르므로, 질량수가 서로 다른 원소 이다.

④ 동중핵변환은 이름에서 알 수 있듯이 질량수가 그대로 이고 핵이 변환되는 것이다. 알파붕괴를 하여 양성자수와 질량수가 각각 2,4 만큼 줄어 든다. 따라서 알파붕괴는 동중핵변환이 아니다. 동중핵변환을 위해서는 베타붕괴, 전자포획 등이 있다.

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